電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)架構(gòu)及控制器選型指南

今天，電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)已成為減少二氧化碳排放的關(guān)鍵要素之一。因此各種不同類型的汽車都裝備有機(jī)電動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。那么在實(shí)現(xiàn)電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)需要用到哪些技術(shù)呢?

EPS是一種機(jī)電動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它用電子控制的馬達(dá)代替原來的水壓助力轉(zhuǎn)向裝置。EPS系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)占用更少的空間，更容易組裝，而且能夠節(jié)省燃油消耗。另外它在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中不再使用有毒的液壓油。在小型車輛中，馬達(dá)是通過齒輪箱連接到轉(zhuǎn)向柱的，而在中型汽車內(nèi)，馬達(dá)利用凸緣架斜向或縱向安裝在齒輪架上，并通過齒輪箱作業(yè)。當(dāng)司機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，馬達(dá)就為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動(dòng)力。

EPS系統(tǒng)是如何工作的?

電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由一個(gè)控制單元、眾多傳感器和一個(gè)無刷馬達(dá)組成?？刂茊卧獙ο到y(tǒng)進(jìn)行控制，并提供馬達(dá)所需的信息。另外，它還從傳感器接收信息，這些傳感器主要用來測量方向角度、駕駛速度和扭矩等參數(shù)。檢測馬達(dá)位置和馬達(dá)電流的傳感器可確保馬達(dá)工作在最佳狀態(tài)。圖1為帶系統(tǒng)監(jiān)視功能的高階電子機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵組件。XC2300作為主處理器控制著伺服馬達(dá)和其它組件。第二個(gè)較小的微控制器或ASIC則作為監(jiān)控單元。

EPS系統(tǒng)中的主要組件

傳動(dòng)裝置是一個(gè)三相同步或異步無刷馬達(dá)。馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)場以電子方式產(chǎn)生。信號(hào)頻率約20kHz的脈沖寬度調(diào)變(PWM)信號(hào)將影響馬達(dá)的速度和扭矩。

旋轉(zhuǎn)編碼器或磁性傳感器，即所謂的巨型磁阻(GMS)，可以提供識(shí)別轉(zhuǎn)子位置的數(shù)據(jù)。通常兩個(gè)相位電流是通過分路電路或霍爾傳感器測量的。上述傳感器都是模擬輸出，因此需要經(jīng)過放大才能用于進(jìn)一步的處理。作用在轉(zhuǎn)向柱上的力量以及馬達(dá)要求的助動(dòng)力通過扭矩傳感器測量。信號(hào)處理在控制單元中完成。車輪傳感器提供汽車速度信息，轉(zhuǎn)向角度傳感器提供方向盤目前位置信息。其它控制單元?jiǎng)t處理這些信號(hào)。數(shù)據(jù)是在CAN總線上傳輸?shù)?。可以在傳感器中整合一些評估邏輯，具體取決于系統(tǒng)選用的傳感器類型。這樣可以提高精密度，減少出錯(cuò)的可能性。

控制單元由眾多的穩(wěn)壓器、CAN收發(fā)器、信號(hào)處理電路、橋式驅(qū)動(dòng)器、電源開關(guān)和微控制器組成。

穩(wěn)壓器提供傳感器、微控制器和ASIC所需的各種電壓。CAN收發(fā)器用于CAN總線和微控制器之間的橋接。數(shù)據(jù)信號(hào)處理是模擬還是數(shù)字方式取決于傳感器類型。因?yàn)槲⒖刂破鞑荒苤苯涌刂齐娫撮_關(guān)(B6橋)，因此需要橋式驅(qū)動(dòng)器。橋式驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生快速開關(guān)晶體管所需的閘極電壓和相關(guān)電流。智能驅(qū)動(dòng)器還包含有診斷接口，它能檢測各種問題，如半橋短路、低相位電壓或組件高溫。微控制器控制和監(jiān)視馬達(dá)與整個(gè)系統(tǒng)，它還必須執(zhí)行診斷功能，并與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。此外還采用了另外一個(gè)控制器來進(jìn)行檢錯(cuò)，并在必要時(shí)啟動(dòng)緊急工作模式。

由于EPS系統(tǒng)在馬達(dá)動(dòng)態(tài)和?定扭矩方面有很高的要求，故它們需要采用復(fù)雜的算法，如FOC(針對場的控制)。這種控制直接作用于馬達(dá)的轉(zhuǎn)子場上，需要相當(dāng)強(qiáng)的處理能力，因?yàn)樗婕斑\(yùn)算多個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(Clark/Park轉(zhuǎn)換)，并須以50μs間隔調(diào)節(jié)兩個(gè)相位電流。需要通過一個(gè)PWM信號(hào)并使用空間向量方法對馬達(dá)進(jìn)行控制。由于MAC單元性能非常高，因此所需的CPU負(fù)載還不到10%。

圖1：具備系統(tǒng)監(jiān)視功能的電子機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。

XC2300微控制器

XC2300微控制器是英飛凌公司XC2000微控制器系列的新產(chǎn)品，該組件可解決系統(tǒng)監(jiān)視問題，能夠快速處理嚴(yán)格的控制算法，并具有廣泛的內(nèi)建硬件支持。總之，它能夠快速且高效地處理各種復(fù)雜的任務(wù)。

為了增強(qiáng)可靠性，XC2300在安全方面采用了循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)來驗(yàn)證感應(yīng)數(shù)據(jù)，其中涉及兩次寫入數(shù)據(jù)以及二者的比較。整個(gè)內(nèi)存系統(tǒng)受硬件糾錯(cuò)單元的保護(hù)。為了整合不同的軟件模塊，還設(shè)立了一個(gè)內(nèi)存保護(hù)單元。

XC2000的架構(gòu)是以之前開發(fā)的C166核心為基礎(chǔ)，可提供先進(jìn)的控制和DSP功能。然而，與C166架構(gòu)不同的是，它具有高性能管線結(jié)構(gòu)，故可在單頻率周期內(nèi)執(zhí)行指令。在相同的頻率速度下，XC2300的處理能力約為C166的兩倍。XC2300還整合一個(gè)乘法累加單元，可容易實(shí)現(xiàn)矩陣作業(yè)或有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器功能。這意味著可在單頻率周期內(nèi)執(zhí)行累積32位加法或減法的 16x16位乘法。快速的矩陣作業(yè)處理(Clark/Park轉(zhuǎn)換)和PI控制器在EPS中都發(fā)揮了重要作用。XC2300支持最多128個(gè)中斷源，共有 16個(gè)中斷等級(jí)。除了典型的中斷處理，該處理器還以外圍事件控制器(PEC)的形式提供可選的DMA傳送功能，允許在16MB的地址空間中輕松地移動(dòng)或復(fù)制大型數(shù)據(jù)區(qū)塊。程序內(nèi)存存取為64位寬，目前最高支持576KB的嵌入式閃存。閃存在實(shí)體上被分成多個(gè)模塊，并采用了糾錯(cuò)和監(jiān)視功能，可獲得更高的執(zhí)行可靠性。每個(gè)閃存區(qū)都可通過密碼分別實(shí)現(xiàn)讀寫保護(hù)。可用來管理數(shù)據(jù)的嵌入式 SRAM容量為50KB。此外還采用了一種額外的保護(hù)機(jī)制來防止對重要CPU緩存器的未授權(quán)存取。為了進(jìn)一步提高執(zhí)行可靠性，當(dāng)某些受限指令被執(zhí)行或者是 CPU堆棧寫入溢出時(shí)也可以觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。

外圍功能

XC2300的外圍模塊包含了靈活的定時(shí)單元、三個(gè)USIC模塊(用于支持不同的同步和異步串行接口)、擷取/比較(CAPCOM)模塊、一個(gè)實(shí)時(shí)頻率和看門狗功能、兩個(gè)獨(dú)立的高速10位A/D轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換時(shí)間》=1.2μs)以及三個(gè)CAN模塊。眾多的觸發(fā)器資源允許AD轉(zhuǎn)換與具有相應(yīng)延遲的CAPCOM定時(shí)器單元之間實(shí)現(xiàn)同步。內(nèi)建有限的幾個(gè)檢查器可以對多個(gè)電壓源進(jìn)行后臺(tái)監(jiān)視，不會(huì)增加CPU任何負(fù)擔(dān)。

CAPCOM6擷取/比較單元是專門開發(fā)來支持獨(dú)立于CPU的多相馬達(dá)控制。以CPU頻率作為其執(zhí)行頻率的兩個(gè)獨(dú)立的16位寬定時(shí)器被作為時(shí)間基準(zhǔn)。CAPCOM6模塊能夠產(chǎn)生多達(dá)7個(gè)的獨(dú)立脈寬調(diào)變信號(hào)，或儲(chǔ)存輸入信號(hào)持續(xù)時(shí)間和工作周期。它在80MHz的系統(tǒng)頻率下可以提供12.5ns的分辨率。一個(gè)8位的定時(shí)器支持死區(qū)時(shí)間(dead time)產(chǎn)生。該信號(hào)可以單獨(dú)分配給每個(gè)通道。由于采用了同步設(shè)計(jì)和影子緩存器，緩存器更新可得到正確的定義。CAPCOM6單元支持同步和異步脈寬調(diào)變。在產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)，每個(gè)輸出都可以立即進(jìn)入不活動(dòng)狀態(tài)。在一個(gè)系統(tǒng)中，使用兩個(gè)CAPCOM6單元可以最多控制兩個(gè)馬達(dá)。所有外圍模塊都通過一條高速16 位外圍總線連接到CPU。XC2300系列微控制器中外圍模塊的整合度比其它微控制器架構(gòu)要高，因此CPU可以集中資源執(zhí)行運(yùn)算和診斷任務(wù)。XC2365 微控制器中的關(guān)鍵功能模塊如圖2所示。